(57)【要約】【課題】  本発明は、発電機のロータ収容システムにおいて使用する複合材料補強リングの軸方向移動を防止するための機械的拘束構成を提供する。【解決手段】  磁気遮蔽体組立体は、ロータ巻線を囲むようになった、２つ以上の部分環状セグメントからなるほぼ円筒形の管状遮蔽体（８８）と、管状遮蔽体上に設置され、その中に１つの表面陥凹部（８４又は９２）を備えた半径方向内側表面を有する複数の軸方向に間隔をおいたリング（８２）と、リングと磁気遮蔽体との間に設置され、リング（８２）との間に剥離剤（９０）を設けた状態で磁気遮蔽体に固着されたエポキシ接着剤（８６）とを含み、硬化したエポキシ接着剤が１つの表面陥凹部に入り込み、それによって磁気遮蔽体（８８）上でのリング（８２）の軸方向移動に対する機械的障壁を形成する。【選択図】      図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機内にロータ巻線を閉じ込めるための磁気遮蔽体組立体であって、
前記ロータ巻線を囲むようになった、２つ又はそれ以上の部分環状セグメントからなるほぼ円筒形の管状遮蔽体（５８）と、
前記管状遮蔽体上に設置された複数の軸方向に間隔をおいたリング（５６）と、
前記管状遮蔽体と複数のリング（５６）との半径方向間及び隣接するリングの軸方向間に設けられ、それによって前記複数のリングの軸方向移動に対する物理的障壁を与える複数の環状スペーサ（５４）と、
を含む磁気遮蔽体組立体。
【請求項２】
前記環状スペーサ（５４）が、前記磁気遮蔽体（５８）に対しては固着されるが、前記リング（５６）に対しては剥離剤（９０、１００）によって固着されていない、請求項１記載の磁気遮蔽体組立体。
【請求項３】
前記環状スペーサ（５４）の各々が、一対の平坦端部（６０、６２）と、一対の傾斜した斜面（６４、６６）によって前記一対の平坦端部に結合された隆起頂面（６８）とを含む、請求項１記載の磁気遮蔽体組立体。
【請求項４】
前記リング（５６）には、前記一対の斜面（６４、６６）にほぼ一致するように面取りした半径方向内側端縁部（７６、７８）が形成されている、請求項３記載の磁気遮蔽体組立体。
【請求項５】
前記頂面（６８）には、複数の冷却スロット（７０）が形成されている、請求項３記載の磁気遮蔽体組立体。
【請求項６】
各リング（５６）が、隣接するスペーサ（５４）の平坦端部（６０、６２）上に支持されている、請求項３記載の磁気遮蔽体組立体。
【請求項７】
前記磁気遮蔽体上での前記スペーサの軸方向移動を制限するための手段（８０）を含む、請求項１記載の磁気遮蔽体組立体。
【請求項８】
前記スペーサ（５４）が、積層繊維系炭素エポキシで構成されている、請求項１記載の磁気遮蔽体組立体。
【請求項９】
前記スペーサ（５４）が、積層繊維系炭素エポキシで構成される、請求項３記載の磁気遮蔽体組立体。
【請求項１０】
前記剥離剤が窒化ホウ素を含む、請求項２記載の磁気遮蔽体組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地上設置式発電システムにおいて使用する発電機に関し、より具体的には、ロータ収容システムにおいて使用する複合材料補強リングの軸方向移動を防止するための機械的拘束構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の出願人が製作した或る発電機は、タービン運転中の遠心力によるロータ組立体内での銅コイル及び磁気遮蔽体のあらゆる半径方向外向きの移動を拘束するためのエンクロージャとして炭素−エポキシ（Ｃ／Ｅｐ）リングを利用している。例えば、特許文献１及び特許文献２を参照されたい。しかしながら、高周波振動を伴う起動及び停止サイクルは、リングを強制的に下にある磁気遮蔽体に沿って軸方向に移動させるのに十分なエネルギーを与えて、遮蔽体の冷却孔を覆い、またベアリングの損傷に関連したロータの不釣合いを生じ、結果として信頼性の低下をもたらす可能性がある。従来の設計では、エポキシ接着剤を使用してリングを固定しているが、Ｃ／Ｅｐリングすなわちエポキシ接着剤と磁気遮蔽体材料（鋼又はニッケル）との間の大きな熱応答特性差により、重大な問題を生じるおそれがあった。具体的には、接着剤が両方の構成部品に剛性固着している場合には、熱膨張差による応力が、接着剤に割れを生じさせるのに十分なほどになり、リングが内径での不均一荷重（連続的弾性基礎の喪失）と軸方向移動とを受けることになる。
【０００３】
一部の従来の設計では、リングとエポキシ接着剤との間にポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標）のような）薄膜の形態をした「滑り面」を使用して、接着剤が磁気遮蔽体材料に対してのみ緊密に固着されることを可能にしている。接着剤に対するリングの軸方向移動は、半径方向に向いた非磁性ピン及び／又はエポキシの手形成ダムを用いることによって防止していた。
【特許文献１】特開２００１−２５１８０１号
【特許文献２】特開２００１−２５８１９５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、Ｃ／Ｅｐ支持リングの軸方向移動に抗する付加的な機械的積極拘束体を提供し、この機械的拘束体は、発電機に改造して取付けるか又は新規の技術設計において組み込むことができる。２つの重要な設計基準は、拘束機構が磁気遮蔽体の外径を超えて、すなわち磁気遮蔽体内に延びる場合には、拘束機構は金属であってはならないこと、及び拘束機構は、磁気遮蔽体内にある冷却孔の有効性を制限又は阻害してはならないことである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１つの例示的な実施形態では、環状のＣ／Ｅｐスペーサを提供し、本Ｃ／Ｅｐスペーサは、リング間に所望の間隔を維持し、かつリングの軸方向移動を防止する。具体的には、各スペーサは横断面が帽子形状であり、スペーサが、一対の平坦端部と、平坦な隆起頂面と、平坦端部を頂面と結合する一対の斜面とを含むようになっている。各スペーサの頂面には、磁気遮蔽体の冷却孔からロータ及びステータ間の半径方向ギャップ内に冷却空気を通すためのスロットが形成されるか又は機械加工される。スペーサは、複合材リングの内径におけるそれぞれの面取り角度に一致し、軸方向移動を拘束するための抗力面を形成する斜面角度αを有する状態で形成される。
【０００６】
環状スペーサは、複合材リングの下、つまり磁気遮蔽体と複合材リングとの半径方向間に嵌合して、連続的弾性基礎を与える。より具体的には、各リングは、一対の隣接するスペーサによって形成された「トラフ（ｔｒｏｕｇｈ）」内に嵌合される。換言すれば、１つのスペーサの１つの平坦端部及び１つの斜面は、隣接するスペーサの１つの平坦端部及び１つの斜面と組み合わさって、面取りしたリングのためのほぼ凹形の座部を形成する。従って、スペーサの平坦な頂面は、リング間に位置し、また斜面表面は、リングの軸方向移動に対する機械的積極障壁又は拘束体を形成する。そうでなければスペーサは磁気遮蔽体上を自由に摺動するが、スペーサは周囲の前方及び後方スペーサに対して当接している。さらに、端部リングは、遮蔽体の半径方向上方に突出するストッパリングによって固定され、その結果、スペーサのいずれか１つ又は全ての軸方向移動は最小化される。従って、軸方向移動は、スペーサ間の最小間隙間隔に制限され、この間隙間隔の総計は、磁気遮蔽体内の冷却孔を閉塞するようになるには不十分である。
【０００７】
第２の例示的な実施形態では、リングの半径方向内径又は表面上の一連の機械加工したディンプル（半球形空洞）又は機械加工した完全環状溝のいずれかを使用してエポキシ接着剤を捕捉し、それによって機械的位置決め制御及び軸方向固定を行う。この場合における接着剤は、磁気遮蔽体に対して固着されるが、エポキシとリングとの半径方向間に剥離剤を使用することにより、リングには固着されない。従って、溝又はディンプルに入り込む硬化した接着剤は、リングの軸方向移動に対する機械的拘束を与える。
【０００８】
熱膨張差によるエポキシ接着剤の過大応力発生を防止する剥離剤として、ポリテトラフルオロエチレン（例えば、テフロン（登録商標））、窒化ホウ素又はその他の適当な材料を使用することができる。従って、接着剤の磁気遮蔽体に対する剛性固着と複合材リングに対する機械的インタロックとの組合せにより、必要な軸方向積極拘束と制御した応力量とが得られる。
【０００９】
従って、その広い態様では、本発明は、発電機内にロータ巻線を閉じ込めるための磁気遮蔽体組立体に関し、本磁気遮蔽体組立体は、ロータ巻線を囲むようになった、２つ又はそれ以上の部分環状セグメントからなるほぼ円筒形の管状遮蔽体と、管状遮蔽体上に設置された複数の軸方向に間隔をおいたリングと、管状遮蔽体と複数のリングとの半径方向間及び隣接するリングの軸方向間に設けられ、それによって複数のリングの軸方向移動に対する物理的障壁を与える複数の環状スペーサとを含む。
【００１０】
別の態様では、本発明は、発電機内にロータ巻線を閉じ込めるための磁気遮蔽体組立体に関し、本磁気遮蔽体組立体は、ロータ巻線を囲むようになった、２つ又はそれ以上の部分環状セグメントからなるほぼ円筒形の管状遮蔽体と、管状遮蔽体上に設置され、その中に少なくとも１つの表面陥凹部を備えた半径方向内側表面を有する複数の軸方向に間隔をおいたリングと、リングと磁気遮蔽体との間に設置され、リングとの間に剥離剤を設けた状態で磁気遮蔽体に固着されたエポキシ接着剤とを含み、硬化したエポキシ接着剤が少なくとも１つの表面陥凹部に入り込み、それによって磁気遮蔽体（８８）上でのリング（８２）の軸方向移動に対する機械的障壁を形成する。
【００１１】
次に、添付図面と関連させて、本発明を詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１及び図２を参照すると、公知の発電機ロータ１０は、多極磁気コア１２（２極コアを示す）及び各極に対して１つである複数の巻線組立体１４と、対応する磁極面１６、１８とを含む。磁気コア１２及び巻線組立体１４の構造及び材料は、公知であり、その追加の詳細説明を行う必要はないであろう。
【００１３】
平行な側面を持った２極磁気コア１２の鍛造品上に巻線組立体１４を設置した後に、２つ又はそれ以上の部分環状セグメントで構成した磁性エンクロージャ又は管状遮蔽体２０を組立体上に設置する。さらに図３及び図４を参照すると、複数の環状Ｃ／Ｅｐリング２２（１つを示す）を使用して磁気遮蔽体を囲み、従って発電機使用中の遠心力に抗して巻線組立体及び磁気遮蔽体を拘束している。これらリング２２は、一般的に炭素繊維ガラス繊維複合材のような低密度複合材で構成され、巻線の通気ガスをロータと周囲のステータとの間の発電機エアギャップ（図示せず）に排出するための手段を形成するように構成される。その高い対重量強度比の故に複合材料が好ましいが、当業者には明らかなように他の材料もまた適切であり得る。
【００１４】
磁気遮蔽体２０には、複数の通気孔２６が穿孔され、それらの孔は、ロータと周囲の固定テータとの間のエアギャップに通気ガスを排出する働きをする。リング２２は、上述のようにリング間の間隔が遮蔽体内の冷却孔２６の位置と一致するように軸方向に間隔をおいて配置されていることが分かるであろう。
【００１５】
特に図４を参照すると、磁気遮蔽体２０に対する軸方向移動に抗してリング２２を拘束するための１つの従来の方法は、エポキシ接着剤２８によってリング２２を磁気遮蔽体２０に固着することを含んでいる。接着剤２８は、高温性能を有する任意の適当な固着接着剤とすることができる。
【００１６】
しかしながら、構成部品間の熱的不整合により、接着剤２８内に割れが生じ、そのことによって、影響を受けたリング２２が、隣接する冷却孔又は通路２６を覆うのに十分なほど大きく軸方向移動することになる可能性があった。付加的な割れと更なる冷却孔の閉塞との累積的影響によって、重大なロータ不釣合い及び冷却機能の喪失を引き起こすおそれがある。端部の拘束体により最終的に軸方向ずれの程度を制限することは、問題を解決しない。
【００１７】
次に、図５を参照すると、一部の設計では、エポキシ接着剤４０とリング４２との間に設置したポリテトラフルオロエチレン、窒化ホウ素などの薄膜３０の形態をした適当な剥離剤によって形成した「滑り面」を使用して、接着剤が、下にある磁気遮蔽体４４に対してのみ固着されるようにする。この場合における遮蔽体４４に対するリングの軸方向移動は、磁気遮蔽体４０内に固定されかつそれぞれのリングを貫通して延びる非磁性ピン４６によって及び／又はリング５２の両端縁部に沿ったエポキシ４８の手形成ダム５０によって防止される。
【００１８】
図７〜図９に移ると、本発明では、１つの例示的な実施形態において、隣接するリング５６の軸方向間及びリング５６と磁気遮蔽体５８との半径方向間に設置した複数の環状スペーサ５４を使用して、リングの軸方向移動に対する機械的障壁を形成する。より具体的には、各スペーサ５４は、図９に最もよく分かるように、横断面がほぼ帽子形状になった環状部材である。従って、スペーサ５４は、２つの平坦端部又は側部６０、６２と、一対の斜面６４、６６と、端部６０、６２に対して隆起した平坦な上面又は頂面６８とを含む。面６８には、複数の冷却空気スロット７０が形成される。スペーサ５４は、磁気遮蔽体７４内の冷却孔７２とほぼ整列して冷却空気がリング５６間を循環できるようにすることに注目されたい。斜面６４、６６は、リング５６の面取りした半径方向内側端縁部７６、７８上に形成された角度に一致する斜面角度α（図９）を有する状態で形成される。図７における１つのリング５６は、端部７６、７８を識別するのを単に助けるために、スペーサ５４から離して持ち上げられていることに注目されたい。従って、リング５６は、隣接するそれぞれの平坦端部６２、６０及びそれぞれの隣接するスペーサ５４の斜面６６、６４によって形成された「トラフ」内に密着嵌合し、またスペーサの平坦端部６２、６０が隣接するスペーサの同様の平坦端部に密接して隣接するので、リング５６の軸方向移動は、実質的に防止される。換言すれば、隣接するスペーサ間の間隙により生じるあらゆる小さな軸方向ずれでは、磁気遮蔽体７４内の任意の１つ又はそれ以上の冷却孔７２を閉塞する程度にリングが移動可能になるには不十分である。この点に関して、個々のスペーサは磁気遮蔽体に固定されていないが、磁気遮蔽体の端部において固定した１つ又はそれ以上のストッパ８０が、遮蔽体上での全体スペーサ群のあらゆる軸方向移動を制限する働きをする。ストッパ８０は、環状溝内に嵌め込んだ環状リング又は円周方向に間隔をおいた配置で遮蔽体の孔内に設置した複数のピンとすることができる。
【００１９】
スペーサ５４は、積層繊維系Ｃ／Ｅｐ又は積層単一テープの何れかで作られる。Ｃ／Ｅｐスペーサの高い比強度は、本体及び軸方向加重に対して十分以上の能力を保障する。スペーサの膨張率はまた、繊維構造によって、複合材リング及び磁気遮蔽体の膨張率に一致させるか又はそれらの膨張率を遷移させるかのどちらかになるように設計することができる。
【００２０】
図１０に示す第２の例示的な実施形態では、リング８２には、それらのそれぞれの半径方向内面上に円周方向溝８４が形成される。磁気遮蔽体８８に固着されたエポキシ接着剤８６は、エポキシ接着剤とリングとの間の剥離剤９０によってリングへの固着が阻止される。しかしながら、エポキシが溝８４に入り込むので、リングの軸方向移動に対する機械的障壁が得られる。剥離剤は、ポリテトラフルオロエチレン、窒化ホウ素又は他の適当な剥離剤とすることができる。
【００２１】
図１１は、本発明の第３の実施形態を示し、そこでは、リング９４の半径方向内面内に一連の半球形陥凹部９２が形成される。エポキシ９６は、磁気遮蔽体９８に対しては固着されるが、上述のように剥離剤１００によってリング９４に対しては固着されるのが阻止される。ここでもまた、エポキシは、硬化して陥凹部に入り込む固体ディンプル１０２を形成し、リングの軸方向移動に対する機械的又は物理的障壁を形成する。
【００２２】
ディンプル又は完全環状溝の深さは、約０．７６〜１．２７ｍｍ（０．０３〜０．０５インチ）程度とすることができ、一方、ディンプル又は溝の軸方向幅は、可能性のある移動を引き起こす軸方向応力に抗するのに十分な剪断面積を形成するように設計される。
【００２３】
現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】発電機ロータの巻線組立体概略図。
【図２】周囲の磁気遮蔽体を含む発電機ロータの組立体概略図。
【図３】図２に示す形式のロータの概略断面図。
【図４】１つの従来の構成による、磁気遮蔽体に固着された複数の軸方向拘束リングの１つを示す、一部を断面にした概略部分側面図。
【図５】支持リングの軸方向移動を拘束する別の公知の構成を示す、一部を断面にした別の部分側面図。
【図６】支持リングの軸方向移動を拘束するさらに別の公知の方法を示す、一部を断面にしたさらに別の部分側面図。
【図７】本発明の第１の例示的な実施形態による、ロータ上の複合材リングのための機械的軸方向拘束システムを示す部分側面断面図。
【図８】図７から取出した単一のスペーサの部分斜視図。
【図９】図８の線９−９に沿って取ったスペーサの横断面図。
【図１０】本発明の第２の例示的な実施形態による、ロータ上の複合材リングのための機械的軸方向拘束システムを示す部分側面断面図。
【図１１】本発明の第３の例示的な実施形態による、ロータ上の複合材リングのための機械的軸方向拘束システムを示す部分側面断面図。
【符号の説明】
【００２５】
５４  環状スペーサ
５６、５８  リング
６０、６２  平坦端部
６４、６６  斜面
６８  頂面
７０  冷却スロット
７２  冷却孔
７４  磁気遮蔽体
７６、７８  面取り端縁部
８０  ストッパ
８４  溝
８６  エポキシ接着剤
９０  剥離剤
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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